c im ca cỏc phng phỏp o cỏc
i lng khụng in
Phân loại: thông thờng phân
loại
Y
Yc
X
CB
BĐCH h
TBĐ
Theo các đại lợng:
Nhiệt độ
CB- Cảm biến
BĐCH - Biến đổi chuẩn
Di chuyển và kích thớc
hoá
hình học, khoảng cách
TBĐ- Thiết bị đo điện
Đo lực, áp suất và ứng
suất.
Đo các thông số chuyển
động.
Đo phân tích nồng độ vật
chất

Phn II: o cỏc i lng khụng in

2

c im ca cỏc phng phỏp o cỏc
i lng khụng in (2)

Phần quan trọng nhất của việc đo không điện là các cảm biến.
Đặc điểm và phân loại cảm biến:
Cảm biến tích cực và cảm biến thụ động: tạo ra các thông số mạch
điện
Cảm biến tích cực: sinh ra dòng, áp hay điện tích

Ví dụ về cảm biến thụ động
ại lợng

Thông số biến đổi

Vật liệu làm cm biến

Nhiệt độ

iện trở suất

Nhiệt độ rất thấp

Hằng số điện môi

Kim loại : platine, nickel,
đồng, chất bán dẫn
Thuỷ tinh

iện trở suất
Biến dạng
ộ từ thẩm
iện trở suất


Từ trở

Từ thông của bức xạ
quang

iện trở suất

Bán dẫn

ộ ẩm

iện trở suất
Hằng số điện môi

Chlorure de lithium
Hợp kim polymere

Mức

Hằng số điện môi

Cách điện lỏng

Vị trí

3

Hợp kim niken và silic mạ
Hợp kim sắt từ


4


Vn ca b thng nht hoỏ

Ví dụ về cảm biến tích cực
ại lợng vật lý cần đo

Hiệu ứng sử dụng

áp điện

Lực
áp suất
Gia tốc

Tín hiệu ra

Thớch ng v tr khỏng
tuyn tớnh hoỏ

iện tích

Thng nht

Cm biờn Hoỏ cm bin

Signal

th ng


Khuch i

Nhiệt độ

Nhiệt điện

iện áp

Tốc độ (vận tốc)

Cam ứng điện từ

iện áp

Cm bin
Vị trí

Từ thông bức xạ quang

Hiệu ứng Hall

iện áp

Hoa quang
Phát xạ quang
Hiệu ứng quang áp
Hiệu ứng quang điện từ

iện tích

Dòng điện
iện áp
iện áp

Chun hoỏ tớn
hiu

Thng nht hoỏ Signal
cm bin
th ng

Tớn hiu
ó thng nht
hoỏ

5

6

Vớ d
Chuyển đổi /tín hiệu
Cặp nhiệt ngẫu

Ho hp tr khỏng
Thống nhất hóa tín hiệu

Nhiệt điện trở RTD

Nguồn nuôI, cấu hình 4 dây
và 3 dây, tuyến tính hóa


Cảm biến điện trở
lực căng

Nguồn điện áp cung cấp
cho cầu, cấu hình và
tuyến tính hoá

Đất chung
hoặc địên áp cao

Ngun ỏp

Khuếch đại, tuyến tính hoá
và bù đầu tự do

Khuếch đại cách ly
(cách ly quang)

Các tảI yêu cầu chuyển
mạch xoay chiều hoặc
dòng điện lớn

Rơle điện cơ hoặc rơle
bán dẫn

Các tín hiệu với
nhiễu tần số cao

Lọc thông thấp


VO = Vi .
Vi

R

R1

R2
R1+R2

0

2

Mt chui o cú th coi l mt
phõn ỏp

Ngun

Ti o lng

kiu mch lp li

Ngun dũng
R1

Thiết bị DAQ

Vi


VO = Vi .

R2
R1+R2

Z1 << Z2
7

R
2

Ngun

ti o
lng

b bin i
dũng - ỏp
8


Hoà hợp trở kháng

Thống nhất hoá về độ lớn điện áp

Nguồn điện tích

Dùng nguồn áp bên ngoài để nuôi mạch của cảm biến
∆Vm = Es


Rs ∆Z c
1
( Z c 0 + Rs ) 2 1 + ∆Z c
Z c 0 + Rs

Nguồn dòng

khuếch đại điện tích
Điện tích được đưa vào một tụ điện không đổi Cr, khi tích luỹ vào tụ tạo ra một điện áp trên
cực của tụ điện tỉ lệ với điện tích nạp vào

∆Vm = I s .∆Z c
Tính gần đúng ta được

Khuếch đại đo lường

∆Vm = Es
Mạch vào vi sai

∆Rc
2 Rc 0

9

10

Thống nhất hoá về độ lớn điện áp

Cầu thống nhất hoá


Một số nhận xét
Khả năng phân giải thấp
Rất nhạy với thay đổi của nguồn
Tồn tại điện áp không khi mà không có đối tượng đo

Tính toán điện áp Vm theo biến động của nguồn nuôi và điện trở
Rc của cảm biến

11

VA = Es

Rc 0 + ∆Rc
Rc 0 + ∆Rc
+ ∆Es
Rc 0 + ∆Rc + R1
Rc 0 + ∆Rc + R1

VB = Es

R3
R3
+ ∆Es
R2 + R3
R2 + R3

Vm = VA − VB =

1

Es ∆Rc
4 R0 1 + ∆Rc
2 R0
2R
12


Thống nhất hoá về tần số: Dao động
hình sin
Dao động hình sin: Cảm biến điện cảm và địên dung được đưa
vào mạch cộng hưởng dao động. Điều kiện cộng hưởng

Thống nhất hoá về tần số:Tự dao
động
Tạo ra tín hiệu xung vuông với tần số phụ thuộc vào cảm biến
R

1
f0 =
2π

1
L0C0

Sự thay đổi điện cảm dẫn đến thay đổi tần số

∆f
∆L
=− ;
f0

L0

f = f 0 (1 −

-

∆L
)
2 L0

+
Vm

Xét đến biên độ của dao động
R2
R1

fm =

1
2 RC lg(1 +

2 R1
)
R2

13

Thống nhất hoá cho cảm biến tích
cực: Thống nhất hoá tín hiệu


Thống nhất hoá cho cảm biến tích
cực: Thống nhất hoá tín hiệu

Chuẩn hoá cho cảm biến sinh áp: Ri >>Rc

Chuẩn hoá cảm biến sinh dòng: Ri << Rc

I m = ic

A

Rc

ec

14

Rc
Rc + Ri

Ri

Vm

B

Av =

R1 + R2

R1

Khuếch đại

15

16


Chuẩn hoá cho cảm biến tích cực:
Chuẩn hoá tín hiệu

Tuyến tính hoá cầu Wheatstone
Phản ứng điện áp không
cân bằng Va-Vb

Chuẩn hoá cảm biến sinh điện tích
Vc =

Q
Cc + C

Vs ( p ) =

pAR
.Q( p )
1 + R(C c + C ) p

Nguyên tắc của khuếch đại địên tích


Vs ( p ) = −Q( p )
S=

Phản ứng điện áp không cân
bằng (Va-Vb) đồng thời với
điện áp nuôi
(giữa +V1 và -V1)

ARp
1 + RC1 (1 − A) p

Vs ( p ) A
=
Q( p) C

17

18

Tuyến tính hoá từng đoạn

VL

Chương 6.Phương pháp và thiết bị đo
nhiệt độ

Vm

Vm1
Vm2


Vm3

Sử dụng bộ
cộng có ngưỡng

Người ta « thay » đường cong không tuyến
tính bằng những đoạn thẳng

19


6.1. Lý lun chung- Đo nhiệt độ

6.2. Nhiệt kế nhiệt địên trở
Nhiệt điện trở là là điện trở thay đổi theo sự đổi nhiệt độ của nó: RT = f(t0)

Trong các nhà máy nói chung các thiết bị đo nhiệt độ gồm:
Cảm biến nhiệt ngẫu đo nhiệt độ từ 6000C 16000C
Cảm biến nhiệt địên trở đo nhiệt độ từ 00C 6000C
Cảm biến sử dụng lớp chuyển tiếp N-P đo nhiệt độ từ đến 2000C
Hoả quang kế đo nhiệt độ trên 16000C
Cảm biến hồng ngoại

o RT có thể suy ra nhiệt độ.
Trong công nghiệp, nhiệt điện trở đợc chia ra thành nhiệt điện trở kim loại và
nhiệt điện trở bán dẫn.
iện trở kim loại theo nhiệt độ
RT =R0(1+ t + t2 + t3)
Với Pt: = 3.940. 10-3 /0C

= -5.8 10-7/ oC2 ; 0 trong khoảng 0-6000C; = -4 10-12 /0C3

Với đồng từ -500C đến 2000C:

= 4.27 10-3/0C

và trong phạm vi sử dụng vơí độ chính xác không cao thì coi nh không đáng
kể và quan hệ RT và t coi nh tuyến tính.

21

Nhiệt điện trở kim loại (RTD)

22

Nhiệt điện trở kim loại

Để đo những nhiệt độ từ -500C -6000C ngời ta thờng dùng nhiệt điện trở
PT-100 (Platin 100 ở 00C
Cu -100 (đồng 100 ở 00C)
Ni-100 (Ni 100 ở 00C)
Quan hệ giữa nhiệt độ và điện trở của Pt100
nhiệt
độ, 0C

-200

-190

-180


-170

-160

-150

-140

-130

-120

-100

nhiệt
độ, 0C



17.28

21.65

25.98

39.29

34.56


38.80

43.02

47.21

51.38

55.52



0C

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30


-20

-10

0C



59.65

63.75

67.84

71.91

75.96

80.00

84.03

88.04

92.04

96.03




0C

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0C



100.0
0

103.9

6

107.9
1

108.5

115.7
8

119.7
0

123.1
0

127.4
9

131.3
7

135.2
4



23

24



25

NhiÖt ®iÖn trë b¸n dÉn (NTC-PTC)

26

B, NhiÖt ®iÖn trë b¸n dÉn (NTC-PTC)
NhiÖt ®iÖn trë b¸n dÉn

RT = Ae β /T

A vµ β ®Òu kh«ng æn ®Þnh. Ta còng cã thÓ tÝnh
α= (-2.5% +-4%)/ 0C

Thông thường được chế tạo từ các oxit bán dẫn đa tinh
thể: MgO, MgAl2O4, Mn2O3, Fe3O4, Co2O3, NiO, ZntiO4

Mét sè nhiÖt ®Þªn trë b¸n dÉn
a) KMT vµ MMT

b) MKMT c) Quan hÖ gi÷a RT(0t)

1.NhiÖt ®iÖn trë ®ång

2. NhiÖt ®iÖn trë b¸n dÉn

Các bột oxit được trộn theo một tỉ
lệ thích hợp, sau đó được nén với định

dạng và thiêu kết ở nhiệt độ 10000C
27

28


NhiÖt ®iÖn trë b¸n dÉn

29

Transfer functions of PTC
and NTC thermistors as compared with
an RTD.

30

CÊu t¹o -NhiÖt ®iÖn trë
Đầu bịt

Đầu dây
bên trong

Ống cách
nhiệt

Nút đậy
Giá đỡ

mối hàn
ống bảo vệ


Phần tử
điện trở

Mối hàn

Cấu tạo bên ngoài
31

Cấu tạo bên trong
32


Mạch đo- phương pháp nguồn dòng

Mạch tạo nguồn dòng

U Rt = J .RT
U R = U Rt

R2
R
= I .Rt 2
R1
R1

Rvao = 10

RT


γ

Iref = Vref/R1.

33

34

Phương pháp sử dụng nguồn áp

Bài tập
1.

2.

3.

 Rt
R3
U R = E 
−
R
R
R
+
2
3 + R4
 t






35

Tính tóan nguồn cung cấp cho mạch cầu đo nhiệt độ sử dụng
nhiệt điện trở Pt100 với dòng điện cho phép là 10 mA.
Tính tóan nguồn cung cấp cho mạch cầu đo nhiệt độ sử dụng
nhiệt điện trở Pt100 với dòng điện cho phép là 1 mA. Nếu sử
dụng mạch ổn áp 5V để nuôi cầu, người ta phải dùng thêm một
điện trở để chia áp- tính giá trị điện trở đó? Nhược điểm của cách
mắc này?
Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt ngẫu loại K ( KT= 40.6µV/0C) khoảng
đo từ 6000C đến 12000C. Tính tóan mạch bù đầu tự do sử dụng
Pt 100 với dòng cho phép 5mA. Biết nhiệt độ đầu tự do thay đổi
từ (10- 40)0C

36


Vớ d

Sơ đồ bộ biến đổi nhiệt điện trở

6.3. Phơng pháp cặp nhiệt ngẫu

Nguồn dòng 2.5mA tạo ra một sự biến thiên
điện áp trên điện trở là 100mV/1000C.
RT = R0 (1+t);
= 0.385% / 0C

Nếu RT đợc cung cấp bằng nguồn dòng 2.58
mA thì khi nhiệt độ biến thiên 1000C
U = RT . I = 0.385 x 2.58 =100mV
Điện áp rơi trên RT đợc đa vào khuếch đại
bù điện áp ở 00C và biến đổi áp thành dòng (420mA) để đa vào hệ thống thu thập số đo.

Nguyên lý :

1- Nhiệt điện trở 2- Modul vào
3- Dòng cung cấp (hằng)
4- Điện áp một chiều khuếch đại
5- Modul ra
6- Điều chỉnh điện áp

Trong đó: KT - hệ số hiệu ứng nhiệt điện

Dựa trên hiện tợng nhiệt điện. Nếu hai dây
dẫn khác nhau (hình vẽ) nối với nhau tại hai
điểm và một trong hai điểm đó đợc đốt nóng
thì trong mạch sẽ xuất hiện một dòng điện gây
bởi sức điện động gọi là sức điện động nhiệt
điện, đợc cho bởi công thức
ET = KT (tn - ttd)
tn - nhiệt độ đầu nóng
ttd - nhiệt độ đầu tự do

t2

a


b

Mạch chuẩn hoá
t1

37

Cu to

V chng nc cho
u bờn trong

t1

38

Vớ d cu to bờn trong ca cm bin

Np

Cú nhiu hỡnh dỏng khỏc nhau
Khi bờn
trong
Giỏ

Mi hn
ng
bo v
Phn
cỏch ly


Phn t
cp nhit
Giao
im 39

40


Các kiểu cặp nhiệt ngẫu
Ký hiệu

Ký hiệu hinh
thức

Vật liệu cấu thành

ạc điểm cần lu tâm

B

-

Patin
Rhodium
Platin.Rhomdium 6

30-

Dây dơng nh là hợp kim 70%Pt, 30% Rh.

Dây âm là hợp kim 94%Pt, 6% Rh. Loại B
bền hơn loại R, giai đo nhiệt độ đến
18000C, con các đặc tính khác thì nh loại
R
Dây dơng là loại hợp kim 87% Pt, 13%
Rh. Dây âm là Pt nguyên chất. Cặp này rất
chính xác, bền với nhiệt và ổn định. Không
nên dùng ở những môi trờng có hơi kim
loại
Dây dơng là hợp kim 90% Pt, 10%Rh.
Dây âm là Pt nguyên chất. Các đặc tính
khác nh loại R

R

-

PtRh 13 - Pt

S

-

PtRh10-Pt

K

CA

Cromel-Alumel


Dây dơng là hợp kim gồm chủ yếu là Nivà
Cr. Dây âm là hợp kim chủ yếu là Ni. Dùng
rộng rãi trong Công nghiệp, bền với môi
trờng oxy hoá. Không đợc dùng ở môi
trờng có CO, SO2 hay khí S có H

E

CRC

Cromel- Constantan

Dây dơng n đốivới loại K. Dây âm nh
loại J. Có sức địên động nhiệt điện cao và
thờng dùng ở môi trờng acid
41

42

Các kiểu cặp nhiệt ngẫu

43

44


C, Phng phỏp o nhit bng cp nhit ngu

Giới hạn nhiệt độ và các ống bảo vệ

Dờng kính của dây
Dạng của cặp nhiệt

Giới hạn nhiệt độ làm việc

ký hiệu

đờng
kính bên
ngoài

giới hạn
chuẩn

giới hạn trên

ống bao vệ O.D x I.D
ống bao vệ bằng
im loại ( mm)

ống bảo vệ
không bằng kim
loại ( mm)

B

Pt Rh 30%/ Pt
Rh 6%

L


0.5

15000C

17000c

_

15 x11

R

Pt Rh 13%- Pt

L

0.5

14000C

16000C

_

15 x 11

S

Pt Rh 10%-Pt


L

0.5

14000C

16000C

_

15 x 11

K (Chromel_Alumel)

D

3.2

10000C

12000C

21.7 x 16.1

17 x 13

C

2.3


9000C

11000C

21.7 x 16.1

17 x 13

B

1.6

8600C

10500C

15 x 11

15 x 11

A

1.0

7500C

9500C

12 x 9


15 x11

0.65

6500C

8500C

10 x7

10 x 6

H

Thng nht hoỏ bng mch in ỏp tớch cc
Bự u t do
Bự in tr dõy ni

U ra = E

R5 R1 + R3
1 +

R4
R2

45

46


Bù nhiệt độ đầu tự đo
Mạch bù nhiệt độ đầu tự do đợc thực hiện bằng 1 mạch cầu 4
nhánh trên ấy có một nhiệt điện trở, hoạt động của nó nh sau:
00C 4 nhánh của cầu cân bằng điện áp ở đờng chéo cầu U=0,
khi nhiệt độ ở trên đầu hộp nối dây tức là nhiệt độ đầu tự do thay
đổi:
U =

Ta lại có

U CC R T U CC
=
t td
4 RT
4

ET = KT (tnóng- ttựdo) = KT tnóng -KTttự do

Để bù ảnh hởng của nhiệt độ đầu tự do ta có
K T t t do =

47

U CC
4K T
t t do U CC =
4

48



Vớ d

Bộ cặp nhiệt ngẫu của SIEMENS

6.4. o nhit bng it v transitor
Da trờn lp chuyn tip bỏn dn
Quan h ca dũng ờn theo nhit
qv
I = I 0 exp 1
kT

ờn ỏp ra ca it cú th vit nh sau:
v = v +

IA và UH - Tín hiệu ra một chiều và nguồn cung cấp.
1- Cặp nhiệt ngẫu
cầu

2- Đầu vào của mạch

3- Đầu lạnh của cặp nhiệt

4- nguồn dòng hằng

5- Điện áp một chiều khuếch đại
7- điều chỉnh điện áp

6- Modul ra


kT
kT
kT
LogI
.mLogT
.LogC
q
q
q

49

50

LM75 /TCN75

51

52


Ví dụ về LM335

Ví dụ mạch đo đầu tiên sử dụng

53

54


NhiÖt ®iÖn trë b¸n dÉn

Ví dụ về LM335

Nguån ¸p : LM35

M¹ch ®o víi nhiÖt ®iÖn trë b¸n dÉn

55

56


Nhiệt điện trở bán dẫn
Độ nhạy nhiệt
của diode và
trans. mắc theo
kiểu diode:
S=dV/dT cỡ
-25mV/0C

k I
VB1 VB 2 = T ln C1 avec
q IC 2

k
= 86,17 àV /
q

Mạch chuẩn hoá


Giả sử 2 Transistor giống nhau, có cùng nhiệt độ
R1 I C1 = R2 I C 2 VB 2 =

Từ đó :

r
S
r + R

kT R1
R
S = 1 + VB1 +
ln
q R2
r

S = fct(T) đợc cải thiện
57

Mch o

58

Vớ d

Bộ biến đổi thông minh đo nhiệt độ
Siemens

59


60


Vớ d v b cm bin thụng minh o
nhit
Cỏc thụng s cú th t
c
Loi cm bin
Khong o
Bự nhit ( trong/ngoi)
Nhit in tr mc theo
s 2,3,4 dõy
c tớnh ca cm bin
Thi gian bin i ca b
bin i
i lng ra 0-20mA hay
4-20mA
61

Bộ biến đổi thông minh đo nhiệt độ
Đầu vào
Các dầu vào (2)
Hợp kênh MUX (3)
Khuếch đại (4)
Nguồn dòng dùng để đo nhiệt độ
Nhiệt điện trở (1)
Mạch khắc độ (9)
Vi điều khiển(10)
Bộ biến đổi tơng tự số (5)

Lọc thông thấp để là bằng kết quả (6)
Khối tuyến tính hoá phục vụ cho các đặc tính phi tuyến của cảm biến (7)
điều chế độ rộng xung đầu ra (8)
Đầu ra
Bộ cách ly về điện (13)
Bộ ra với tín hiệu xung điều chế độ rộng (17) và bộ biến đổi số tơng tự
Đẩu ra để kiểm tra để theo dõi tín hiệu ra (18)
Cảm biến phụ, rơle (14)
Kiểm tra và hiện thị
Giao diện nối tiếp (11) để hỏi đáp và đặt các thông số
Nút ẩn để kiểm tra cho nhiệt điện trở hay để khắc độ các cảm biến điện trở
Đầu báo (làm việc và có sự cố)
Nguồn cung cấp 24V một chiều nối vào lới điện

62

Phõn b ca cụng sut bc x ca vt en
tuyt i

6.4. Hoả quang kế
Đo nhiệt độ không tiếp xúc dải nhiệt độ cao > 16000C
Mật độ phổ năng lợng phát xạ theo bớc sóng của vật đen
lý tởng khi bị đốt nóng
E = C15

1
e

C2 / T


1

- bớc sóng; T - nhiệt độ tuyệt đối ;
C1= 37,03 .10-17 Jm2/sc ; C2= 1,432. 10-2 m0C
3 phơng pháp:
Hoả quang kế bức xạ
Hoả quang kế cờng độ sáng
Hoả quang kế mầu sắc:
63

64


Đo nhiệt độ bẳng phơng pháp quang học: hồng
ngoại IR

6.4.1. Hoả quang kế bức xạ

Năng lợng bức xạ:
ET=KT.Ebx=KTT4
Ngời ta dùng điốt
hồng ngoại để thu năng
lợng này
a)

b)

- a) C ấu tạo của hoả quang kế bức xạ
b) Cặp nhiệt hình rẻ quạt cromel-copel


1. Thân dụng cụ
3- Vật kính
5- Thân cặp nhiệt
7- đầu ra của bộ thu
9- vật kính
11- đầu dây cáp ra
13- Tai để gá thiết bị

2- vít chỉnh vật kính
4- Rãnh đặt cặp nhiệt thu
6- Toa nhiệt đầu tự do
8- Giá đỡ vật kính
10- lọc ánh sáng
12 - ống dẫn cáp ra
14- chỉnh tiêu điểm
65

6.4.2. Đo nhiệt độ bẳng phơng pháp
quang học: hồng ngoại IR

66

6.4.3. Hoả quang kế mu sắc
c tớnh ph ca vt t núng(nhit thp i tng phỏt ra ỏnh
sỏng , nhit cao phỏt ra ỏnh sỏng xanh n tớm)
A- i tng o nhit ; 1- vt kớnh;
2- a lc xanh ; 3- mụt ng b;
4- t bo quang in; 5- khuch i;
6- T ng chnh h s khuch i; 7- lc
8- khoỏ i ni; 9- logomet chia xanh


Ngời ta đặt một điốt lazer phát ra một
trùm tia hẹp song song với với trục của hoả
quang kế. Vòng tròn sáng của Lazer chỉnh
vào vùng ta đo nhiệt độ

a)
b)
67

a) đặc tính phổ củ vật đốt nóng
b) sơ đồ khối của hoả quang kế màu sắc

68


Hoả quang kế cờng độ sáng

Ha quang k mu sc

1. Đèn sợi đốt
2. Vật kính, chỉnh vật kính
3. ống trợt và vật kính
4. Chiết áp chỉnh dòng điện đốt
đèn
5. Thấu kính

a)
b)
c)


Nhiệt độ dây đèn bằng nhiệt độ đối
tợng
Nhiệt độ dây đèn cao hơn nhiệt độ đối
tợng
Nhiệt độ dây đèn thấp hơn nhiệt độ
đối tợng

1

4 3

5

a)

69

ng ngm

2

b)

c)

70

Camera hng ngoi
Infrared Linescanners


71

72


Thíêt bị chuẩn độ- Đèn tungtens

Ứng dụng

73

74

Ví dụ

75

76